Spectroscopie RMN. RMN pentru manechin sau Zece fapte de bază despre rezonanța magnetică nucleară Tehnica de bază RMN

1. Esența fenomenului

   În primul rând, trebuie remarcat faptul că, deși numele acestui fenomen conține cuvântul „nuclear”, RMN nu are nimic de-a face cu fizica nucleară și nu are nicio legătură cu radioactivitatea. Dacă vorbim despre o descriere strictă, atunci nu există nicio modalitate de a face fără legile mecanicii cuantice. Conform acestor legi, energia de interacțiune a miezului magnetic cu un câmp magnetic extern poate lua doar câteva valori discrete. Dacă nucleele magnetice sunt iradiate cu un câmp magnetic alternativ, a cărui frecvență corespunde diferenței dintre aceste niveluri de energie discrete, exprimate în unități de frecvență, atunci nucleele magnetice încep să se miște de la un nivel la altul, absorbind în același timp energia alternantei. camp. Acesta este fenomenul rezonanței magnetice. Această explicație este corectă din punct de vedere formal, dar nu foarte clară. Există o altă explicație, fără mecanică cuantică. Miezul magnetic poate fi imaginat ca o minge încărcată electric care se rotește în jurul axei sale (deși, strict vorbind, nu este așa). Conform legilor electrodinamicii, rotația unei sarcini duce la apariția unui câmp magnetic, adică momentul magnetic al nucleului, care este îndreptat de-a lungul axei de rotație. Dacă acest moment magnetic este plasat într-un câmp extern constant, atunci vectorul acestui moment începe să preceseze, adică să se rotească în jurul direcției câmpului extern. În același mod, axa vârfului precesează (se rotește) în jurul verticalei dacă nu este deztors strict vertical, ci sub un anumit unghi. În acest caz, rolul câmpului magnetic este jucat de forța gravitației.

   Frecvența de precesiune este determinată atât de proprietățile nucleului, cât și de puterea câmpului magnetic: cu cât câmpul este mai puternic, cu atât frecvența este mai mare. Apoi, dacă, pe lângă un câmp magnetic extern constant, miezul este afectat de un câmp magnetic alternativ, atunci miezul începe să interacționeze cu acest câmp - pare să balanseze mai puternic miezul, amplitudinea precesiei crește, iar miezul absoarbe energia câmpului alternant. Totuși, acest lucru se va întâmpla numai în condițiile rezonanței, adică a coincidenței frecvenței de precesiune și a frecvenței câmpului alternativ extern. Acesta este similar cu exemplul clasic de la fizica școlii - soldații care mărșăluiesc peste un pod. Dacă frecvența pasului coincide cu frecvența naturală a podului, atunci podul se balansează din ce în ce mai mult. Experimental, acest fenomen se manifestă prin dependența absorbției unui câmp alternativ de frecvența acestuia. În momentul rezonanței, absorbția crește brusc, iar cel mai simplu spectru de rezonanță magnetică arată astfel:

   

2. Spectroscopie cu transformată Fourier

   Primele spectrometre RMN au funcționat exact așa cum este descris mai sus - proba a fost plasată într-un câmp magnetic constant și i s-a aplicat în mod continuu radiația de frecvență radio. Apoi, fie frecvența câmpului alternativ, fie intensitatea câmpului magnetic constant a variat fără probleme. Absorbția energiei câmpului alternativ a fost înregistrată de o punte de frecvență radio, semnalul de la care a fost transmis către un înregistrator sau un osciloscop. Dar această metodă de înregistrare a semnalului nu a fost folosită de mult timp. În spectrometrele moderne RMN, spectrul este înregistrat folosind impulsuri. Momentele magnetice ale nucleelor ​​sunt excitate de un scurt impuls puternic, după care se înregistrează semnalul indus în bobina RF de momentele magnetice care preced liber. Acest semnal scade treptat la zero pe măsură ce momentele magnetice revin la echilibru (acest proces se numește relaxare magnetică). Spectrul RMN este obținut din acest semnal folosind transformata Fourier. Aceasta este o procedură matematică standard care vă permite să descompuneți orice semnal în armonici de frecvență și astfel să obțineți spectrul de frecvență al acestui semnal. Această metodă de înregistrare a spectrului vă permite să reduceți semnificativ nivelul de zgomot și să efectuați experimente mult mai rapid.

   

   Un impuls interesant pentru înregistrarea unui spectru este cel mai simplu experiment RMN. Cu toate acestea, într-un experiment pot exista multe astfel de impulsuri de diferite durate, amplitudini, cu întârzieri diferite între ele etc., în funcție de ce fel de manipulări trebuie să efectueze cercetătorul cu sistemul de momente magnetice nucleare. Cu toate acestea, aproape toate aceste secvențe de impulsuri se termină în același lucru - înregistrarea unui semnal de precesie liberă urmată de o transformată Fourier.

3. Interacțiuni magnetice în materie

   Rezonanța magnetică în sine ar rămâne nimic mai mult decât un fenomen fizic interesant dacă nu ar fi interacțiunile magnetice ale nucleelor ​​între ele și cu învelișul de electroni a moleculei. Aceste interacțiuni afectează parametrii de rezonanță, iar cu ajutorul lor, metoda RMN poate oferi o varietate de informații despre proprietățile moleculelor - orientarea lor, structura spațială (conformația), interacțiunile intermoleculare, schimbul chimic, dinamica rotațională și translațională. Datorită acestui fapt, RMN a devenit un instrument foarte puternic pentru studierea substanțelor la nivel molecular, care este utilizat pe scară largă nu numai în fizică, ci mai ales în chimie și biologie moleculară. Un exemplu de astfel de interacțiune este așa-numita schimbare chimică. Esența sa este următoarea: învelișul de electroni a unei molecule răspunde la un câmp magnetic extern și încearcă să-l ecraneze - ecranizarea parțială a câmpului magnetic are loc în toate substanțele diamagnetice. Aceasta înseamnă că câmpul magnetic din moleculă va diferi de câmpul magnetic extern printr-o cantitate foarte mică, ceea ce se numește schimbare chimică. Cu toate acestea, proprietățile învelișului de electroni în diferite părți ale moleculei sunt diferite, iar schimbarea chimică este, de asemenea, diferită. În consecință, condițiile de rezonanță pentru nucleele din diferite părți ale moleculei vor diferi și ele. Acest lucru face posibilă distingerea nucleelor ​​neechivalente din punct de vedere chimic în spectru. De exemplu, dacă luăm spectrul nucleelor ​​de hidrogen (protoni) din apă pură, atunci va exista o singură linie, deoarece ambii protoni din molecula de H 2 O sunt exact aceiași. Dar pentru alcoolul metilic CH 3 OH vor exista deja două linii în spectru (dacă neglijăm alte interacțiuni magnetice), deoarece există două tipuri de protoni - protonii grupului metil CH 3 și protonul asociat atomului de oxigen. Pe măsură ce moleculele devin mai complexe, numărul de linii va crește, iar dacă luăm o moleculă atât de mare și complexă ca proteină, atunci în acest caz spectrul va arăta cam așa:

   

4. Miezuri magnetice

   RMN poate fi observată pe diferite nuclee, dar trebuie spus că nu toate nucleele au un moment magnetic. Se întâmplă adesea ca unii izotopi să aibă un moment magnetic, dar alți izotopi ai aceluiași nucleu nu. În total, există mai mult de o sută de izotopi ai diferitelor elemente chimice care au nuclee magnetice, dar în cercetare, de obicei, nu se folosesc mai mult de 1520 de nuclee magnetice, totul este exotic. Fiecare nucleu are propriul său raport caracteristic între câmp magnetic și frecvență de precesiune, numit raport giromagnetic. Pentru toate nucleele aceste relaţii sunt cunoscute. Folosindu-le, puteți selecta frecvența la care, sub un anumit câmp magnetic, va fi observat un semnal din nucleele de care are nevoie cercetătorul.

   Cele mai importante nuclee pentru RMN sunt protonii. Sunt cele mai abundente din natură și au o sensibilitate foarte mare. Nucleii de carbon, azot și oxigen sunt foarte importanți pentru chimie și biologie, dar oamenii de știință nu au avut prea mult noroc cu ei: cei mai comuni izotopi ai carbonului și oxigenului, 12 C și 16 O, nu au un moment magnetic, cel natural. izotopul de azot 14 N are un moment, dar din mai multe motive este foarte incomod pentru experimente. Există izotopi 13 C, 15 N și 17 O care sunt potriviți pentru experimentele RMN, dar abundența lor naturală este foarte scăzută și sensibilitatea lor este foarte scăzută în comparație cu protonii. Prin urmare, probe speciale îmbogățite cu izotopi sunt adesea pregătite pentru studiile RMN, în care izotopul natural al unui anumit nucleu este înlocuit cu cel necesar pentru experimente. În cele mai multe cazuri, această procedură este foarte dificilă și costisitoare, dar uneori este singura oportunitate de a obține informațiile necesare.

5. Rezonanța paramagnetică a electronilor și cvadrupolară

   Vorbind despre RMN, nu putem să nu menționăm alte două fenomene fizice înrudite - rezonanța paramagnetică a electronilor (EPR) și rezonanța cvadrupolului nuclear (NQR). EPR este în esență similară cu RMN, diferența este că rezonanța se observă la momentele magnetice nu ale nucleelor ​​atomice, ci ale învelișului de electroni a atomului. EPR poate fi observată doar în acele molecule sau grupuri chimice a căror înveliș electronic conține așa-numitul electron nepereche, atunci învelișul are un moment magnetic diferit de zero. Astfel de substanțe se numesc paramagneți. EPR, ca și RMN, este, de asemenea, utilizat pentru a studia diferite proprietăți structurale și dinamice ale substanțelor la nivel molecular, dar domeniul său de utilizare este semnificativ mai restrâns. Acest lucru se datorează în principal faptului că majoritatea moleculelor, în special în natura vie, nu conțin electroni nepereche. În unele cazuri, puteți utiliza o așa-numită sondă paramagnetică, adică un grup chimic cu un electron nepereche care se leagă de molecula studiată. Dar această abordare are dezavantaje evidente care limitează capacitățile acestei metode. În plus, EPR nu are o rezoluție spectrală atât de mare (adică capacitatea de a distinge o linie de alta în spectru) ca în RMN.

   Este cel mai dificil de explicat natura NQR „pe degete”. Unele nuclee au ceea ce se numește un moment cvadrupol electric. Acest moment caracterizează abaterea distribuției sarcinii electrice a nucleului de la simetria sferică. Interacțiunea acestui moment cu gradientul câmpului electric creat de structura cristalină a substanței duce la scindarea nivelurilor energetice ale nucleului. În acest caz, se poate observa o rezonanță la o frecvență corespunzătoare tranzițiilor dintre aceste niveluri. Spre deosebire de RMN și EPR, NQR nu necesită un câmp magnetic extern, deoarece divizarea nivelului are loc fără acesta. NQR este folosit și pentru studiul substanțelor, dar domeniul său de aplicare este chiar mai restrâns decât cel al EPR.

6. Avantajele și dezavantajele RMN

   

   RMN este cea mai puternică și informativă metodă de studiere a moleculelor. Strict vorbind, aceasta nu este o singură metodă, este un număr mare de tipuri diferite de experimente, adică secvențe de impulsuri. Deși toate se bazează pe fenomenul RMN, fiecare dintre aceste experimente este conceput pentru a obține unele informații specifice specifice. Numărul acestor experimente este măsurat în multe zeci, dacă nu în sute. Teoretic, RMN poate, dacă nu totul, atunci aproape tot ceea ce pot toate celelalte metode experimentale pentru studierea structurii și dinamicii moleculelor, deși în practică acest lucru este fezabil, desigur, nu întotdeauna. Unul dintre principalele avantaje ale RMN este că, pe de o parte, sondele sale naturale, adică nucleele magnetice, sunt distribuite în întreaga moleculă și, pe de altă parte, permite să distingeți aceste nuclee unul de celălalt și să obțineți date selective spațial. asupra proprietăților moleculei. Aproape toate celelalte metode oferă informații fie în medie pentru întreaga moleculă, fie doar pentru o parte a acesteia.

   RMN are două dezavantaje principale. În primul rând, este o sensibilitate scăzută în comparație cu majoritatea celorlalte metode experimentale (spectroscopie optică, fluorescență, EPR etc.). Acest lucru duce la faptul că, pentru a media zgomotul, semnalul trebuie să fie acumulat mult timp. În unele cazuri, un experiment RMN poate fi efectuat chiar și pentru câteva săptămâni. În al doilea rând, este scump. Spectrometrele RMN sunt printre cele mai scumpe instrumente științifice, costând cel puțin sute de mii de dolari, iar cele mai scumpe spectrometre costă câteva milioane. Nu toate laboratoarele, în special în Rusia, își permit să aibă astfel de echipamente științifice.

7. Magneți pentru spectrometre RMN

   Una dintre cele mai importante și mai scumpe părți ale spectrometrului este magnetul, care creează un câmp magnetic constant. Cu cât câmpul este mai puternic, cu atât sensibilitatea și rezoluția spectrală sunt mai mari, așa că oamenii de știință și inginerii încearcă în mod constant să obțină câmpuri cât mai înalte posibil. Câmpul magnetic este creat de curentul electric din solenoid - cu cât curentul este mai puternic, cu atât câmpul este mai mare. Cu toate acestea, este imposibil să creșteți curentul la infinit; la un curent foarte mare, firul solenoidului va începe pur și simplu să se topească. Prin urmare, pentru o perioadă foarte lungă de timp, spectrometrele RMN cu câmp înalt au folosit magneți supraconductori, adică magneți în care firul solenoidului este într-o stare supraconductoare. În acest caz, rezistența electrică a firului este zero și nu se eliberează energie la nicio valoare a curentului. Starea supraconductoare poate fi atinsă doar la temperaturi foarte scăzute, doar câteva grade Kelvin, temperatura heliului lichid. (Supraconductivitatea la temperatură înaltă este încă domeniul cercetării pur fundamentale.) Cu menținerea unei temperaturi atât de scăzute sunt asociate toate dificultățile tehnice în proiectarea și producerea magneților, care îi fac scumpi. Un magnet supraconductor este construit pe principiul unui termos-matryoshka. Solenoidul este situat în centru, în camera de vid. Este înconjurat de o coajă care conține heliu lichid. Acest înveliș este înconjurat de un înveliș de azot lichid printr-un strat de vid. Temperatura azotului lichid este de minus 196 de grade Celsius; azotul este necesar pentru a se asigura că heliul se evaporă cât mai lent posibil. În cele din urmă, învelișul de azot este izolat de temperatura camerei printr-un strat exterior de vid. Un astfel de sistem este capabil să mențină temperatura dorită a unui magnet supraconductor pentru o perioadă foarte lungă de timp, deși acest lucru necesită adăugarea regulată de azot lichid și heliu la magnet. Avantajul unor astfel de magneți, pe lângă capacitatea de a obține câmpuri magnetice mari, este, de asemenea, că nu consumă energie: după pornirea magnetului, curentul trece prin fire supraconductoare fără pierderi practic timp de mulți ani.

8. Tomografie

   În spectrometrele RMN convenționale, acestea încearcă să facă câmpul magnetic cât mai uniform posibil, acest lucru fiind necesar pentru a îmbunătăți rezoluția spectrală. Dar dacă câmpul magnetic din interiorul probei, dimpotrivă, este foarte neomogen, acest lucru deschide posibilități fundamental noi pentru utilizarea RMN. Neomogenitatea câmpului este creată de așa-numitele bobine de gradient, care lucrează în tandem cu magnetul principal. În acest caz, mărimea câmpului magnetic în diferite părți ale probei va fi diferită, ceea ce înseamnă că semnalul RMN poate fi observat nu din întreaga probă, ca într-un spectrometru convențional, ci doar din stratul său îngust, pentru care sunt îndeplinite condițiile de rezonanță, adică relația dorită între câmp magnetic și frecvență. Schimbând mărimea câmpului magnetic (sau, care este în esență același lucru, frecvența de observare a semnalului), puteți schimba stratul care va produce semnalul. În acest fel, este posibil să „scanăm” proba pe întregul său volum și să „vezi” structura sa tridimensională internă fără a distruge proba în vreun mod mecanic. Până în prezent, au fost dezvoltate un număr mare de tehnici care fac posibilă măsurarea diferiților parametri RMN (caracteristici spectrale, timpi de relaxare magnetică, viteza de autodifuzie și altele) cu rezoluție spațială în interiorul probei. Cea mai interesantă și importantă, din punct de vedere practic, aplicarea tomografiei RMN a fost găsită în medicină. În acest caz, „specimenul” studiat este corpul uman. Imagistica RMN este unul dintre cele mai eficiente și sigure (dar și costisitoare) instrumente de diagnostic în diverse domenii ale medicinei, de la oncologie la obstetrică. Este interesant de observat că medicii nu folosesc cuvântul „nuclear” în numele acestei metode, deoarece unii pacienți îl asociază cu reacțiile nucleare și cu bomba atomică.

9. Istoria descoperirii

   

   Anul descoperirii RMN este considerat a fi 1945, când americanii Felix Bloch din Stanford și, independent de el, Edward Purcell și Robert Pound de la Harvard au observat pentru prima dată semnalul RMN pe protoni. Până în acel moment, se știau deja multe despre natura magnetismului nuclear, efectul RMN în sine fusese prezis teoretic și s-au făcut mai multe încercări de a-l observa experimental. Este important de menționat că, cu un an mai devreme, în Uniunea Sovietică, la Kazan, fenomenul EPR a fost descoperit de Evgeniy Zavoisky. Acum este bine cunoscut faptul că Zavoisky a observat și semnalul RMN, acesta a fost înainte de război, în 1941. Cu toate acestea, a avut la dispoziție un magnet de calitate scăzută, cu o uniformitate slabă a câmpului; rezultatele erau slab reproductibile și, prin urmare, au rămas nepublicate. Pentru a fi corect, trebuie remarcat faptul că Zavoisky nu a fost singurul care a observat RMN înainte de descoperirea sa „oficială”. În special, fizicianul american Isidor Rabi (câștigător al Premiului Nobel în 1944 pentru studiul său asupra proprietăților magnetice ale nucleelor ​​din fasciculele atomice și moleculare) a observat și el RMN la sfârșitul anilor 30, dar a considerat-o un artefact instrumental. Într-un fel sau altul, țara noastră păstrează prioritate în detectarea experimentală a rezonanței magnetice. Deși Zavoisky însuși a început să se ocupe de alte probleme imediat după război, descoperirea sa a jucat un rol imens în dezvoltarea științei în Kazan. Kazan rămâne încă unul dintre cele mai importante centre științifice din lume pentru spectroscopie EPR.

10. Premiul Nobel pentru rezonanță magnetică

    În prima jumătate a secolului al XX-lea, au fost acordate mai multe premii Nobel unor oameni de știință fără a căror activitate descoperirea RMN nu ar fi putut avea loc. Printre aceștia se numără Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Dar au existat patru premii Nobel legate direct de RMN. În 1952, premiul a fost acordat lui Felix Bloch și Edward Purcell pentru descoperirea rezonanței magnetice nucleare. Acesta este singurul premiu Nobel „RMN” pentru fizică. În 1991, elvețianul Richard Ernst, care a lucrat la celebra ETH din Zurich, a primit premiul pentru chimie. I-a fost premiat pentru dezvoltarea metodelor de spectroscopie RMN multidimensională, care au făcut posibilă creșterea radicală a conținutului de informații al experimentelor RMN. În 2002, câștigătorul premiului, tot la chimie, a fost Kurt Wüthrich, care a lucrat cu Ernst în clădirile învecinate la aceeași școală tehnică. El a primit premiul pentru dezvoltarea metodelor de determinare a structurii tridimensionale a proteinelor în soluție. Anterior, singura metodă pentru a determina conformația spațială a biomacromoleculelor mari era analiza de difracție de raze X. În cele din urmă, în 2003, americanul Paul Lauterbur și englezul Peter Mansfield au primit premiul medical pentru inventarea tomografiei RMN. Descoperitorul sovietic al EPR, E.K. Zavoisky, din păcate, nu a primit Premiul Nobel.

Spectroscopia RMN este o metodă de analiză nedistructivă. Modern spectroscopia Fourier RMN pulsată permite analiza la 80 mag. miezuri. Spectroscopia RMN este una dintre principalele. Fiz.-Chim. metode de analiză, datele sale sunt folosite pentru identificarea fără ambiguitate ca intervale. produse chimice r-tions și țintă in-in. Pe lângă sarcinile structurale și cantitățile. analiză, spectroscopia RMN aduce informații despre echilibrele conformaționale, difuzia atomilor și moleculelor în solide, interne. mișcări, legături de hidrogen și asociere în lichide, tautomerism ceto-enol, metalo- și prototropie, ordinea și distribuția unităților în lanțuri polimerice, adsorbția substanțelor, structura electronică a cristalelor ionice, cristalelor lichide etc. Spectroscopia RMN este o sursă de informații privind structura biopolimerilor, inclusiv moleculele de proteine ​​în soluții, comparabile ca fiabilitate cu datele analizei de difracție de raze X. În anii 80 Introducerea rapidă a metodelor de spectroscopie și tomografie RMN în medicină a început pentru diagnosticarea bolilor complexe și pentru examinarea medicală a populației.
Numărul și poziția liniilor în spectrele RMN caracterizează fără ambiguitate toate fracțiile de țiței sintetice. cauciucuri, materiale plastice, șisturi, cărbune, medicamente, medicamente, produse chimice. și farmaceutice prom-sti, etc.
Intensitatea și lățimea liniei RMN de apă sau ulei fac posibilă măsurarea cu precizie a conținutului de umiditate și ulei al semințelor și a siguranței cerealelor. La detonarea de la semnalele de apă, este posibil să se înregistreze conținutul de gluten din fiecare bob, ceea ce, la fel ca analiza conținutului de ulei, permite o selecție agricolă accelerată. culturi
Utilizarea magneților din ce în ce mai puternici. câmpuri (până la 14 T în dispozitive seriale și până la 19 T în instalații experimentale) oferă capacitatea de a determina complet structura moleculelor de proteine ​​în soluții, analiză expresă a biolului. fluide (concentrații de metaboliți endogeni în sânge, urină, limfă, lichid cefalorahidian), controlul calității noilor materiale polimerice. În acest caz, sunt utilizate numeroase variante de spectroscopie spectroscopică Fourier multicuantică și multidimensională. tehnici.
Fenomenul RMN a fost descoperit de F. Bloch și E. Purcell (1946), pentru care au fost distinși cu Premiul Nobel (1952).

Fenomenul rezonanței magnetice nucleare poate fi folosit nu numai în fizică și chimie, ci și în medicină: corpul uman este o colecție din aceleași molecule organice și anorganice.
Pentru a observa acest fenomen, un obiect este plasat într-un câmp magnetic constant și expus la frecvență radio și câmpuri magnetice în gradient. În bobina inductoare care înconjoară obiectul studiat, apare o forță electromotoare alternativă (EMF), al cărei spectru amplitudine-frecvență și caracteristicile tranzitorii în timp transportă informații despre densitatea spațială a nucleelor ​​atomice rezonante, precum și alți parametri specifici doar pentru rezonanță magnetică nucleară. Prelucrarea computerizată a acestor informații generează o imagine tridimensională care caracterizează densitatea nucleelor ​​echivalente chimic, timpii de relaxare a rezonanței magnetice nucleare, distribuția debitelor fluidelor, difuzia moleculelor și procesele metabolice biochimice în țesuturile vii.
Esența introscopiei RMN (sau imagistica prin rezonanță magnetică) este, de fapt, implementarea unui tip special de analiză cantitativă a amplitudinii semnalului de rezonanță magnetică nucleară. În spectroscopia RMN convențională, cineva se străduiește să obțină cea mai bună rezoluție posibilă a liniilor spectrale. Pentru a realiza acest lucru, sistemele magnetice sunt reglate astfel încât să creeze cea mai bună uniformitate posibilă a câmpului în cadrul probei. În metodele de introscopie RMN, dimpotrivă, câmpul magnetic creat este în mod evident neuniform. Atunci există motive să ne așteptăm ca frecvența rezonanței magnetice nucleare în fiecare punct al probei să aibă propria sa valoare, diferită de valorile din alte părți. Prin setarea oricărui cod pentru gradările amplitudinii semnalelor RMN (luminozitate sau culoare pe ecranul monitorului), puteți obține o imagine convențională (tomogramă) a secțiunilor structurii interne a obiectului.
Introscopia RMN și tomografia RMN au fost inventate pentru prima dată în lume în 1960 de V. A. Ivanov. Un expert incompetent a respins cererea pentru o invenție (metodă și dispozitiv) „... din cauza inutilității evidente a soluției propuse”, așa că certificatul de drepturi de autor pentru aceasta a fost eliberat abia peste 10 ani mai târziu. Astfel, este recunoscut oficial că autorul tomografiei RMN nu este echipa laureaților Nobel enumerați mai jos, ci un om de știință rus. În ciuda acestui fapt legal, Premiul Nobel a fost acordat pentru tomografia RMN nu lui V. A. Ivanov. Dispozitive spectrale

Pentru studiul precis al spectrelor, dispozitive simple precum o fantă îngustă care limitează fasciculul de lumină și o prismă nu mai sunt suficiente. Sunt necesare instrumente care să ofere un spectru clar, adică instrumente care pot separa bine undele de lungimi diferite și nu permit suprapunerea unor părți individuale ale spectrului. Astfel de dispozitive sunt numite dispozitive spectrale. Cel mai adesea, partea principală a aparatului spectral este o prismă sau o rețea de difracție.

REZONANȚA PARAMAGNETICĂ ELECTRONICĂ

Esența metodei

Esența fenomenului de rezonanță paramagnetică electronică este absorbția rezonantă a radiației electromagnetice de către electronii nepereche. Un electron are un spin și un moment magnetic asociat.

Dacă plasăm un radical liber cu un moment unghiular rezultat J într-un câmp magnetic cu o putere B 0 , atunci pentru J non-zero, degenerarea câmpului magnetic este eliminată, iar ca urmare a interacțiunii cu câmpul magnetic, 2J+1 apar niveluri, a căror poziție este descrisă prin expresia: W =gβB 0 M, (unde M = +J, +J-1, …-J) și este determinată de interacțiunea Zeeman a câmpului magnetic cu momentul magnetic J. Împărțirea nivelurilor de energie a electronilor este prezentată în figură.

Niveluri de energie și tranziții permise pentru un atom cu spin nuclear 1 într-un câmp constant (A) și alternant (B).

Dacă acum aplicăm un câmp electromagnetic cu frecvența ν, polarizat într-un plan perpendicular pe vectorul câmp magnetic B 0 , la centrul paramagnetic, atunci acesta va provoca tranziții dipol magnetice care respectă regula de selecție ΔM = 1. Când energia tranziția electronică coincide cu energia undei fotoelectromagnetice, va avea loc o reacție rezonantă de absorbție a radiației cu microunde. Astfel, starea de rezonanță este determinată de relația de rezonanță magnetică fundamentală

Absorbția energiei câmpului cu microunde este observată dacă există o diferență de populație între niveluri.

La echilibru termic, există o mică diferență în populațiile nivelurilor Zeeman, determinată de distribuția Boltzmann = exp(gβB 0 /kT). Într-un astfel de sistem, atunci când tranzițiile sunt excitate, egalitatea populațiilor de subniveluri energetice ar trebui să apară foarte repede și absorbția câmpului de microunde ar trebui să dispară. Cu toate acestea, în realitate există multe mecanisme de interacțiune diferite, în urma cărora electronul trece neradiativ în starea sa originală. Efectul intensității constante de absorbție cu creșterea puterii se produce datorită electronilor care nu au timp să se relaxeze și se numește saturație. Saturația apare la o putere mare de radiație a microundelor și poate distorsiona semnificativ rezultatele măsurării concentrației de centre prin metoda EPR.

Valoarea metodei

Metoda EPR oferă informații unice despre centrii paramagnetici. Ea distinge clar ionii de impurități incluși izomorf în rețea de microincluzii. În acest caz, se obține informații complete despre un ion dat din cristal: valență, coordonare, simetrie locală, hibridizare a electronilor, câți și în ce poziții structurale ale electronilor este inclus, orientarea axelor câmpului cristalin la locația acestui ion, o caracteristică completă a câmpului cristalin și informații detaliate despre legătura chimică. Și, ceea ce este foarte important, metoda vă permite să determinați concentrația centrilor paramagnetici în regiuni ale cristalului cu structuri diferite.

Dar spectrul EPR nu este doar o caracteristică a unui ion dintr-un cristal, ci și a cristalului însuși, caracteristici ale distribuției densității electronilor, câmpului cristalin, ionic-covalență într-un cristal și, în sfârșit, pur și simplu o caracteristică de diagnosticare a unui cristal. mineral, deoarece fiecare ion din fiecare mineral are propriii parametri unici. În acest caz, centrul paramagnetic este un fel de sondă, care oferă caracteristici spectroscopice și structurale ale micromediului său.

Această proprietate este folosită în așa-numitul. metoda etichetelor de spin și a sondelor, bazată pe introducerea unui centru paramagnetic stabil în sistemul studiat. Ca un astfel de centru paramagnetic, de regulă, se utilizează un radical nitroxil, caracterizat prin anizotrop gȘi A tensori.

Spectroscopie RMN

Spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopie RMN- o metodă spectroscopică de studiere a obiectelor chimice, folosind fenomenul de rezonanță magnetică nucleară. Cele mai importante pentru chimie și aplicații practice sunt spectroscopia de rezonanță magnetică de protoni (spectroscopie PMR), precum și spectroscopia RMN pe carbon-13 (spectroscopie 13 C RMN), fluor-19 (spectroscopie în infraroșu, RMN dezvăluie informații despre structura moleculară a substanțelor chimice). Cu toate acestea, oferă informații mai complete decât IS, permițând studierea proceselor dinamice dintr-o probă - pentru a determina constantele de viteză ale reacțiilor chimice, valoarea barierelor energetice în calea rotației intramoleculare.Aceste caracteristici fac din spectroscopia RMN un instrument convenabil atât în ​​plan organic teoretic. chimie şi pentru analiza obiectelor biologice.

Tehnica de bază RMN

O probă dintr-o substanță pentru RMN este plasată într-un tub de sticlă cu pereți subțiri (fiolă). Când este plasat într-un câmp magnetic, nucleele active RMN (cum ar fi 1 H sau 13 C) absorb energie electromagnetică. Frecvența de rezonanță, energia de absorbție și intensitatea semnalului emis sunt proporționale cu puterea câmpului magnetic. Deci, într-un câmp de 21 Tesla, un proton rezonează la o frecvență de 900 MHz.

Deplasare chimică

În funcție de mediul electronic local, diferiți protoni dintr-o moleculă rezonează la frecvențe ușor diferite. Deoarece atât această schimbare de frecvență, cât și frecvența de rezonanță fundamentală sunt direct proporționale cu puterea câmpului magnetic, această deplasare este convertită într-o cantitate adimensională independentă de câmpul magnetic cunoscut sub numele de schimbare chimică. Deplasarea chimică este definită ca o modificare relativă față de unele probe de referință. Deplasarea de frecvență este extrem de mică în comparație cu frecvența RMN principală. Deplasarea de frecvență tipică este de 100 Hz, în timp ce frecvența de bază RMN este de ordinul a 100 MHz. Astfel, schimbarea chimică este adesea exprimată în părți per milion (ppm). Pentru a detecta o diferență de frecvență atât de mică, câmpul magnetic aplicat trebuie să fie constant în interiorul volumului probei.

Deoarece o schimbare chimică depinde de structura chimică a unei substanțe, este utilizată pentru a obține informații structurale despre moleculele dintr-o probă. De exemplu, spectrul pentru etanol (CH 3 CH 2 OH) dă 3 semnale distinctive, adică 3 deplasări chimice: unul pentru grupul CH 3, al doilea pentru grupul CH 2 și ultimul pentru OH. Deplasarea tipică pentru o grupare CH3 este de aproximativ 1 ppm, pentru o grupare CH2 atașată la OH-4 ppm și OH este de aproximativ 2-3 ppm.

Datorită mișcării moleculare la temperatura camerei, semnalele celor 3 protoni metil sunt mediate în timpul procesului RMN, care durează doar câteva milisecunde. Acești protoni degenerează și formează vârfuri la aceeași schimbare chimică. Software-ul vă permite să analizați dimensiunea vârfurilor pentru a înțelege câți protoni contribuie la aceste vârfuri.

Interacțiune spin-spin

Cele mai utile informații pentru determinarea structurii într-un spectru RMN unidimensional este furnizată de așa-numita interacțiune spin-spin între nucleele active RMN. Această interacțiune rezultă din tranzițiile între diferitele stări de spin ale nucleelor ​​din moleculele chimice, ducând la divizarea semnalelor RMN. Această divizare poate fi simplă sau complexă și, în consecință, poate fi fie ușor de interpretat, fie poate fi confuză pentru experimentator.

Această legare oferă informații detaliate despre legăturile atomilor din moleculă.

Interacțiune de ordinul doi (puternic)

Cuplarea simplă spin-spin presupune că constanta de cuplare este mică în comparație cu diferența de deplasări chimice dintre semnale. Dacă diferența de deplasare scade (sau constanta de interacțiune crește), intensitatea multipleților de probă devine distorsionată și devine mai dificil de analizat (mai ales dacă sistemul conține mai mult de 2 rotiri). Cu toate acestea, în spectrometrele RMN de mare putere, distorsiunea este de obicei moderată și acest lucru permite interpretarea cu ușurință a vârfurilor asociate.

Efectele de ordinul doi scad pe măsură ce diferența de frecvență între multipleți crește, astfel încât un spectru RMN de înaltă frecvență prezintă mai puțină distorsiune decât un spectru de frecvență joasă.

Aplicarea spectroscopiei RMN la studiul proteinelor

Cele mai multe dintre inovațiile recente în spectroscopie RMN sunt realizate în așa-numita spectroscopie RMN a proteinelor, care devine o tehnică foarte importantă în biologia și medicina modernă. Scopul general este de a obține structura tridimensională a unei proteine ​​la rezoluție înaltă, similară imaginilor obținute în cristalografia cu raze X. Datorită prezenței mai multor atomi într-o moleculă de proteină în comparație cu un compus organic simplu, spectrul 1D de bază este aglomerat cu semnale care se suprapun, făcând imposibilă analiza directă a spectrului. Prin urmare, au fost dezvoltate tehnici multidimensionale pentru a rezolva această problemă.

Pentru a îmbunătăți rezultatele acestor experimente se folosește metoda atomului marcat, folosind 13 C sau 15 N. În acest fel, devine posibilă obținerea unui spectru 3D al unei probe de proteine, care a devenit o descoperire în produsele farmaceutice moderne. Recent, s-au răspândit tehnici (care au atât avantaje, cât și dezavantaje) de obținere a spectrelor 4D și a spectrelor de dimensiuni mai mari, bazate pe metode de eșantionare neliniară cu restabilirea ulterioară a semnalului de dezintegrare a inducției libere folosind tehnici matematice speciale.

Literatură

• Gunther X. Curs de introducere în spectroscopie RMN. - Per. din engleza - M., 1984.

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „spectroscopie RMN” în alte dicționare:

Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară pe nucleele de carbon 13, 13C Spectroscopia RMN este una dintre metodele spectroscopiei RMN care utilizează nuclee ale izotopului de carbon 13C. Nucleul 13C are un spin de 1/2 în starea sa fundamentală, conținutul său în natură... ... Wikipedia

Imaginea unui creier uman pe un tomograf RMN medical Rezonanța magnetică nucleară (RMN) absorbția rezonantă a energiei electromagnetice de către o substanță care conține nuclei cu spin diferit de zero într-un câmp magnetic extern, cauzată de reorientare ... ... Wikipedia

Spectroscopie RMN

Spectroscopie RMN

spectroscopie de rezonanță magnetică- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių reiškin rezoniu. atitikmenys: engl. RMN...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. spectroscopie RMN; spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; RMN Spektroskopie, f rus. spectroscopie nucleară… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškin. atitikmenys: engl. RMN...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

spectroscopie de rezonanță nucleară- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. spectroscopie RMN; spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; RMN Spektroskopie, f rus. spectroscopie nucleară… Fizikos terminų žodynas

Un set de metode de cercetare. în VA în funcție de spectrele de absorbție ale atomilor, ionilor și moleculelor lor. mag. unde radio. Radiația include metode paramagnetice de electroni. rezonanță (EPR), magnetic nuclear. rezonanță (RMN), rezonanță ciclotronică etc... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

Imaginea unui creier uman pe un tomograf RMN medical Rezonanța magnetică nucleară (RMN) absorbția sau emisia de energie electromagnetică de către o substanță care conține nuclei cu spin diferit de zero într-un câmp magnetic extern, la o frecvență ν ... ... Wikipedia

1. Esența fenomenului

În primul rând, trebuie remarcat faptul că, deși numele acestui fenomen conține cuvântul „nuclear”, RMN nu are nimic de-a face cu fizica nucleară și nu are nicio legătură cu radioactivitatea. Dacă vorbim despre o descriere strictă, atunci nu există nicio modalitate de a face fără legile mecanicii cuantice. Conform acestor legi, energia de interacțiune a miezului magnetic cu un câmp magnetic extern poate lua doar câteva valori discrete. Dacă nucleele magnetice sunt iradiate cu un câmp magnetic alternativ, a cărui frecvență corespunde diferenței dintre aceste niveluri de energie discrete, exprimate în unități de frecvență, atunci nucleele magnetice încep să se miște de la un nivel la altul, absorbind în același timp energia alternantei. camp. Acesta este fenomenul rezonanței magnetice. Această explicație este corectă din punct de vedere formal, dar nu foarte clară. Există o altă explicație, fără mecanică cuantică. Miezul magnetic poate fi imaginat ca o minge încărcată electric care se rotește în jurul axei sale (deși, strict vorbind, nu este așa). Conform legilor electrodinamicii, rotația unei sarcini duce la apariția unui câmp magnetic, adică momentul magnetic al nucleului, care este îndreptat de-a lungul axei de rotație. Dacă acest moment magnetic este plasat într-un câmp extern constant, atunci vectorul acestui moment începe să preceseze, adică să se rotească în jurul direcției câmpului extern. În același mod, axa vârfului precesează (se rotește) în jurul verticalei dacă nu este deztors strict vertical, ci sub un anumit unghi. În acest caz, rolul câmpului magnetic este jucat de forța gravitației.

­

Frecvența de precesiune este determinată atât de proprietățile nucleului, cât și de puterea câmpului magnetic: cu cât câmpul este mai puternic, cu atât frecvența este mai mare. Apoi, dacă, pe lângă un câmp magnetic extern constant, miezul este afectat de un câmp magnetic alternativ, atunci miezul începe să interacționeze cu acest câmp - pare să balanseze mai puternic miezul, amplitudinea precesiei crește, iar miezul absoarbe energia câmpului alternant. Totuși, acest lucru se va întâmpla numai în condițiile rezonanței, adică a coincidenței frecvenței de precesiune și a frecvenței câmpului alternativ extern. Acesta este similar cu exemplul clasic de la fizica școlii - soldații care mărșăluiesc peste un pod. Dacă frecvența pasului coincide cu frecvența naturală a podului, atunci podul se balansează din ce în ce mai mult. Experimental, acest fenomen se manifestă prin dependența absorbției unui câmp alternativ de frecvența acestuia. În momentul rezonanței, absorbția crește brusc, iar cel mai simplu spectru de rezonanță magnetică arată astfel:

­

2. Spectroscopie Fourier

Primele spectrometre RMN au funcționat exact așa cum este descris mai sus - proba a fost plasată într-un câmp magnetic constant și i s-a aplicat în mod continuu radiația de frecvență radio. Apoi, fie frecvența câmpului alternativ, fie intensitatea câmpului magnetic constant a variat fără probleme. Absorbția energiei câmpului alternativ a fost înregistrată de o punte de frecvență radio, semnalul de la care a fost transmis către un înregistrator sau un osciloscop. Dar această metodă de înregistrare a semnalului nu a fost folosită de mult timp. În spectrometrele moderne RMN, spectrul este înregistrat folosind impulsuri. Momentele magnetice ale nucleelor ​​sunt excitate de un scurt impuls puternic, după care se înregistrează semnalul indus în bobina RF de momentele magnetice care preced liber. Acest semnal scade treptat la zero pe măsură ce momentele magnetice revin la echilibru (acest proces se numește relaxare magnetică). Spectrul RMN este obținut din acest semnal folosind transformata Fourier. Aceasta este o procedură matematică standard care vă permite să descompuneți orice semnal în armonici de frecvență și astfel să obțineți spectrul de frecvență al acestui semnal. Această metodă de înregistrare a spectrului vă permite să reduceți semnificativ nivelul de zgomot și să efectuați experimente mult mai rapid.

­

Un impuls de excitație pentru înregistrarea unui spectru este cel mai simplu experiment RMN. Cu toate acestea, într-un experiment pot exista multe astfel de impulsuri de diferite durate, amplitudini, cu întârzieri diferite între ele etc., în funcție de ce fel de manipulări trebuie să efectueze cercetătorul cu sistemul de momente magnetice nucleare. Cu toate acestea, aproape toate aceste secvențe de impulsuri se termină în același lucru - o înregistrare a unui semnal de precesie liberă urmată de o transformată Fourier.

3. Interacțiuni magnetice în materie

Rezonanța magnetică în sine ar rămâne nimic mai mult decât un fenomen fizic interesant dacă nu ar fi interacțiunile magnetice ale nucleelor ​​între ele și cu învelișul de electroni a moleculei. Aceste interacțiuni afectează parametrii de rezonanță, iar cu ajutorul lor, metoda RMN poate oferi o varietate de informații despre proprietățile moleculelor - orientarea lor, structura spațială (conformația), interacțiunile intermoleculare, schimbul chimic, dinamica rotațională și translațională. Datorită acestui fapt, RMN a devenit un instrument foarte puternic pentru studierea substanțelor la nivel molecular, care este utilizat pe scară largă nu numai în fizică, ci mai ales în chimie și biologie moleculară. Un exemplu de astfel de interacțiune este așa-numita schimbare chimică. Esența sa este următoarea: învelișul de electroni a unei molecule răspunde la un câmp magnetic extern și încearcă să-l ecraneze - ecranizarea parțială a câmpului magnetic are loc în toate substanțele diamagnetice. Aceasta înseamnă că câmpul magnetic din moleculă va diferi de câmpul magnetic extern printr-o cantitate foarte mică, ceea ce se numește schimbare chimică. Cu toate acestea, proprietățile învelișului de electroni în diferite părți ale moleculei sunt diferite, iar schimbarea chimică este, de asemenea, diferită. În consecință, condițiile de rezonanță pentru nucleele din diferite părți ale moleculei vor diferi și ele. Acest lucru face posibilă distingerea nucleelor ​​neechivalente din punct de vedere chimic în spectru. De exemplu, dacă luăm spectrul nucleelor ​​de hidrogen (protoni) din apă pură, atunci va exista o singură linie, deoarece ambii protoni din molecula de H 2 O sunt exact aceiași. Dar pentru alcoolul metilic CH 3 OH vor exista deja două linii în spectru (dacă neglijăm alte interacțiuni magnetice), deoarece există două tipuri de protoni - protonii grupului metil CH 3 și protonul asociat atomului de oxigen. Pe măsură ce moleculele devin mai complexe, numărul de linii va crește, iar dacă luăm o moleculă atât de mare și complexă ca proteină, atunci în acest caz spectrul va arăta cam așa:

­

4. Miezuri magnetice

RMN poate fi observată pe diferite nuclee, dar trebuie spus că nu toate nucleele au un moment magnetic. Se întâmplă adesea ca unii izotopi să aibă un moment magnetic, dar alți izotopi ai aceluiași nucleu nu. În total, există mai mult de o sută de izotopi ai diferitelor elemente chimice care au nuclee magnetice, dar în cercetare, de obicei, nu se folosesc mai mult de 1520 de nuclee magnetice, totul este exotic. Fiecare nucleu are propriul său raport caracteristic între câmp magnetic și frecvență de precesiune, numit raport giromagnetic. Pentru toate nucleele aceste relaţii sunt cunoscute. Folosindu-le, puteți selecta frecvența la care, sub un anumit câmp magnetic, va fi observat un semnal din nucleele de care are nevoie cercetătorul.

Cele mai importante nuclee pentru RMN sunt protonii. Sunt cele mai abundente din natură și au o sensibilitate foarte mare. Nucleii de carbon, azot și oxigen sunt foarte importanți pentru chimie și biologie, dar oamenii de știință nu au avut prea mult noroc cu ei: cei mai comuni izotopi ai carbonului și oxigenului, 12 C și 16 O, nu au un moment magnetic, cel natural. izotopul azotului 14N are un moment, dar din mai multe motive este foarte incomod pentru experimente. Există izotopi 13 C, 15 N și 17 O care sunt potriviți pentru experimentele RMN, dar abundența lor naturală este foarte scăzută și sensibilitatea lor este foarte scăzută în comparație cu protonii. Prin urmare, probe speciale îmbogățite cu izotopi sunt adesea pregătite pentru studiile RMN, în care izotopul natural al unui anumit nucleu este înlocuit cu cel necesar pentru experimente. În cele mai multe cazuri, această procedură este foarte dificilă și costisitoare, dar uneori este singura oportunitate de a obține informațiile necesare.

5. Rezonanța paramagnetică a electronilor și cvadrupolară

Vorbind despre RMN, nu putem să nu menționăm alte două fenomene fizice înrudite - rezonanța paramagnetică a electronilor (EPR) și rezonanța cvadrupolului nuclear (NQR). EPR este în esență similară cu RMN, diferența este că rezonanța se observă la momentele magnetice nu ale nucleelor ​​atomice, ci ale învelișului de electroni a atomului. EPR poate fi observată doar în acele molecule sau grupuri chimice a căror înveliș electronic conține așa-numitul electron nepereche, atunci învelișul are un moment magnetic diferit de zero. Astfel de substanțe se numesc paramagneți. EPR, ca și RMN, este, de asemenea, utilizat pentru a studia diferite proprietăți structurale și dinamice ale substanțelor la nivel molecular, dar domeniul său de utilizare este semnificativ mai restrâns. Acest lucru se datorează în principal faptului că majoritatea moleculelor, în special în natura vie, nu conțin electroni nepereche. În unele cazuri, puteți utiliza o așa-numită sondă paramagnetică, adică un grup chimic cu un electron nepereche care se leagă de molecula studiată. Dar această abordare are dezavantaje evidente care limitează capacitățile acestei metode. În plus, EPR nu are o rezoluție spectrală atât de mare (adică capacitatea de a distinge o linie de alta în spectru) ca în RMN.

Este cel mai dificil de explicat natura NQR „pe degete”. Unele nuclee au ceea ce se numește un moment cvadrupol electric. Acest moment caracterizează abaterea distribuției sarcinii electrice a nucleului de la simetria sferică. Interacțiunea acestui moment cu gradientul câmpului electric creat de structura cristalină a substanței duce la scindarea nivelurilor energetice ale nucleului. În acest caz, se poate observa o rezonanță la o frecvență corespunzătoare tranzițiilor dintre aceste niveluri. Spre deosebire de RMN și EPR, NQR nu necesită un câmp magnetic extern, deoarece divizarea nivelului are loc fără acesta. NQR este folosit și pentru studiul substanțelor, dar domeniul său de aplicare este chiar mai restrâns decât cel al EPR.

6. Avantajele și dezavantajele RMN

RMN este cea mai puternică și informativă metodă de studiere a moleculelor. Strict vorbind, aceasta nu este o singură metodă, este un număr mare de tipuri diferite de experimente, adică secvențe de impulsuri. Deși toate se bazează pe fenomenul RMN, fiecare dintre aceste experimente este conceput pentru a obține unele informații specifice specifice. Numărul acestor experimente este măsurat în multe zeci, dacă nu în sute. Teoretic, RMN poate, dacă nu totul, atunci aproape tot ceea ce pot toate celelalte metode experimentale pentru studierea structurii și dinamicii moleculelor, deși în practică acest lucru este fezabil, desigur, nu întotdeauna. Unul dintre principalele avantaje ale RMN este că, pe de o parte, sondele sale naturale, adică nucleele magnetice, sunt distribuite în întreaga moleculă și, pe de altă parte, permite să distingeți aceste nuclee unul de celălalt și să obțineți date selective spațial. asupra proprietăților moleculei. Aproape toate celelalte metode oferă informații fie în medie pentru întreaga moleculă, fie doar pentru o parte a acesteia.

RMN are două dezavantaje principale. În primul rând, este o sensibilitate scăzută în comparație cu majoritatea celorlalte metode experimentale (spectroscopie optică, fluorescență, EPR etc.). Acest lucru duce la faptul că, pentru a media zgomotul, semnalul trebuie să fie acumulat mult timp. În unele cazuri, un experiment RMN poate fi efectuat chiar și pentru câteva săptămâni. În al doilea rând, este scump. Spectrometrele RMN sunt printre cele mai scumpe instrumente științifice, costând cel puțin sute de mii de dolari, cele mai scumpe spectrometre costând câteva milioane. Nu toate laboratoarele, în special în Rusia, își permit să aibă astfel de echipamente științifice.

7. Magneți pentru spectrometre RMN

Una dintre cele mai importante și mai scumpe părți ale spectrometrului este magnetul, care creează un câmp magnetic constant. Cu cât câmpul este mai puternic, cu atât sensibilitatea și rezoluția spectrală sunt mai mari, așa că oamenii de știință și inginerii încearcă în mod constant să obțină câmpuri cât mai înalte posibil. Câmpul magnetic este creat de curentul electric din solenoid - cu cât curentul este mai puternic, cu atât câmpul este mai mare. Cu toate acestea, este imposibil să creșteți curentul la infinit; la un curent foarte mare, firul solenoidului va începe pur și simplu să se topească. Prin urmare, pentru o perioadă foarte lungă de timp, spectrometrele RMN cu câmp înalt au folosit magneți supraconductori, adică magneți în care firul solenoidului este într-o stare supraconductoare. În acest caz, rezistența electrică a firului este zero și nu se eliberează energie la nicio valoare a curentului. Starea supraconductoare poate fi atinsă doar la temperaturi foarte scăzute, doar câteva grade Kelvin, temperatura heliului lichid. (Supraconductivitatea la temperatură înaltă este încă domeniul cercetării pur fundamentale.) Tocmai cu menținerea unei temperaturi atât de scăzute sunt asociate toate dificultățile tehnice în proiectarea și producerea magneților, care îi fac scumpi. Un magnet supraconductor este construit pe principiul unui termos-matryoshka. Solenoidul este situat în centru, în camera de vid. Este înconjurat de o coajă care conține heliu lichid. Acest înveliș este înconjurat de un înveliș de azot lichid printr-un strat de vid. Temperatura azotului lichid este de minus 196 de grade Celsius; azotul este necesar pentru a se asigura că heliul se evaporă cât mai lent posibil. În cele din urmă, învelișul de azot este izolat de temperatura camerei printr-un strat exterior de vid. Un astfel de sistem este capabil să mențină temperatura dorită a unui magnet supraconductor pentru o perioadă foarte lungă de timp, deși acest lucru necesită adăugarea regulată de azot lichid și heliu la magnet. Avantajul unor astfel de magneți, pe lângă capacitatea de a obține câmpuri magnetice mari, este, de asemenea, că nu consumă energie: după pornirea magnetului, curentul trece prin fire supraconductoare fără pierderi practic timp de mulți ani.

­

8. Tomografie

În spectrometrele RMN convenționale, acestea încearcă să facă câmpul magnetic cât mai uniform posibil, acest lucru fiind necesar pentru a îmbunătăți rezoluția spectrală. Dar dacă câmpul magnetic din interiorul probei, dimpotrivă, este foarte neomogen, acest lucru deschide posibilități fundamental noi pentru utilizarea RMN. Neomogenitatea câmpului este creată de așa-numitele bobine de gradient, care lucrează în tandem cu magnetul principal. În acest caz, mărimea câmpului magnetic în diferite părți ale probei va fi diferită, ceea ce înseamnă că semnalul RMN poate fi observat nu din întreaga probă, ca într-un spectrometru convențional, ci doar din stratul său îngust, pentru care sunt îndeplinite condițiile de rezonanță, adică relația dorită între câmp magnetic și frecvență. Schimbând mărimea câmpului magnetic (sau, care este în esență același lucru, frecvența de observare a semnalului), puteți schimba stratul care va produce semnalul. În acest fel, este posibil să „scanăm” proba pe întregul său volum și să „vezi” structura sa tridimensională internă fără a distruge proba în vreun mod mecanic. Până în prezent, au fost dezvoltate un număr mare de tehnici care fac posibilă măsurarea diferiților parametri RMN (caracteristici spectrale, timpi de relaxare magnetică, viteza de autodifuzie și altele) cu rezoluție spațială în interiorul probei. Cea mai interesantă și importantă, din punct de vedere practic, aplicarea tomografiei RMN a fost găsită în medicină. În acest caz, „specimenul” studiat este corpul uman. Imagistica RMN este unul dintre cele mai eficiente și sigure (dar și costisitoare) instrumente de diagnostic în diverse domenii ale medicinei, de la oncologie la obstetrică. Este interesant de observat că medicii nu folosesc cuvântul „nuclear” în numele acestei metode, deoarece unii pacienți îl asociază cu reacțiile nucleare și cu bomba atomică.

9. Istoria descoperirii

Anul descoperirii RMN este considerat a fi 1945, când americanii Felix Bloch din Stanford și, independent de el, Edward Purcell și Robert Pound de la Harvard au observat pentru prima dată semnalul RMN pe protoni. Până în acel moment, se știau deja multe despre natura magnetismului nuclear, efectul RMN în sine fusese prezis teoretic și s-au făcut mai multe încercări de a-l observa experimental. Este important de menționat că, cu un an mai devreme, în Uniunea Sovietică, la Kazan, fenomenul EPR a fost descoperit de Evgeniy Zavoisky. Acum este bine cunoscut faptul că Zavoisky a observat și semnalul RMN, acesta a fost înainte de război, în 1941. Cu toate acestea, a avut la dispoziție un magnet de calitate scăzută, cu o uniformitate slabă a câmpului; rezultatele erau slab reproductibile și, prin urmare, au rămas nepublicate. Pentru a fi corect, trebuie remarcat faptul că Zavoisky nu a fost singurul care a observat RMN înainte de descoperirea sa „oficială”. În special, fizicianul american Isidor Rabi (câștigător al Premiului Nobel în 1944 pentru studiul său asupra proprietăților magnetice ale nucleelor ​​din fasciculele atomice și moleculare) a observat și el RMN la sfârșitul anilor 30, dar a considerat-o un artefact instrumental. Într-un fel sau altul, țara noastră păstrează prioritate în detectarea experimentală a rezonanței magnetice. Deși Zavoisky însuși a început să se ocupe de alte probleme imediat după război, descoperirea sa a jucat un rol imens în dezvoltarea științei în Kazan. Kazan rămâne încă unul dintre cele mai importante centre științifice din lume pentru spectroscopie EPR.

10. Premiile Nobel pentru rezonanță magnetică

În prima jumătate a secolului al XX-lea, au fost acordate mai multe premii Nobel unor oameni de știință fără a căror activitate descoperirea RMN nu ar fi putut avea loc. Printre aceștia se numără Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Dar au existat patru premii Nobel legate direct de RMN. În 1952, premiul a fost acordat lui Felix Bloch și Edward Purcell pentru descoperirea rezonanței magnetice nucleare. Acesta este singurul premiu Nobel „RMN” pentru fizică. În 1991, elvețianul Richard Ernst, care a lucrat la celebra ETH din Zurich, a primit premiul pentru chimie. I-a fost premiat pentru dezvoltarea metodelor de spectroscopie RMN multidimensională, care au făcut posibilă creșterea radicală a conținutului de informații al experimentelor RMN. În 2002, câștigătorul premiului, tot la chimie, a fost Kurt Wüthrich, care a lucrat cu Ernst în clădirile învecinate la aceeași școală tehnică. El a primit premiul pentru dezvoltarea metodelor de determinare a structurii tridimensionale a proteinelor în soluție. Anterior, singura metodă pentru a determina conformația spațială a biomacromoleculelor mari era analiza de difracție de raze X. În cele din urmă, în 2003, americanul Paul Lauterbur și englezul Peter Mansfield au primit premiul medical pentru inventarea tomografiei RMN. Descoperitorul sovietic al EPR, E.K. Zavoisky, din păcate, nu a primit Premiul Nobel.

Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară este una dintre cele mai comune și foarte sensibile metode de determinare a structurii compușilor organici, permițând obținerea de informații nu numai despre compoziția calitativă și cantitativă, ci și despre localizarea atomilor unul față de celălalt. Diverse tehnici RMN au multe posibilități pentru a determina structura chimică a substanțelor, stările de confirmare ale moleculelor, efectele influenței reciproce și transformările intramoleculare.

Metoda rezonanței magnetice nucleare are o serie de caracteristici distinctive: spre deosebire de spectrele moleculare optice, absorbția radiației electromagnetice de către o substanță are loc într-un câmp magnetic extern puternic și uniform. Mai mult, pentru a efectua un studiu RMN, experimentul trebuie să îndeplinească o serie de condiții care reflectă principiile generale ale spectroscopiei RMN:

1) înregistrarea spectrelor RMN este posibilă numai pentru nucleele atomice cu propriul moment magnetic sau așa-numitele nuclee magnetice, în care numărul de protoni și neutroni este astfel încât numărul de masă al nucleelor ​​izotopice este impar. Toate nucleele cu un număr de masă impar au spin I, a cărui valoare este 1/2. Deci pentru nucleele 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R valoarea spinului este egală cu 1/2, pentru nucleele 7 Li, 23 Na, 39 K și 4 l R spinul este egal cu 3/2 . Nucleele cu un număr de masă par fie nu au spin deloc dacă sarcina nucleară este pară, fie au valori întregi de spin dacă sarcina este impară. Numai acele nuclee al căror spin este I 0 pot produce un spectru RMN.

Prezența spinului este asociată cu circulația sarcinii atomice în jurul nucleului, prin urmare, apare un moment magnetic μ . O sarcină rotativă (de exemplu, un proton) cu moment unghiular J creează un moment magnetic μ=γ*J . Momentul nuclear unghiular J și momentul magnetic μ care apar în timpul rotației pot fi reprezentate ca vectori. Raportul lor constant se numește raportul giromagnetic γ. Această constantă determină frecvența de rezonanță a miezului (Fig. 1.1).

Figura 1.1 - O sarcină rotativă cu un moment unghiular J creează un moment magnetic μ=γ*J.

2) metoda RMN examinează absorbția sau emisia de energie în condiții neobișnuite de formare a spectrului: spre deosebire de alte metode spectrale. Spectrul RMN este înregistrat dintr-o substanță situată într-un câmp magnetic uniform puternic. Astfel de nuclee dintr-un câmp extern au valori diferite de energie potențială în funcție de mai multe unghiuri de orientare posibile (cuantificate) ale vectorului μ în raport cu vectorul de intensitate a câmpului magnetic extern H 0 . În absența unui câmp magnetic extern, momentele magnetice sau spinurile nucleelor ​​nu au o orientare specifică. Dacă nucleele magnetice cu spin 1/2 sunt plasate într-un câmp magnetic, atunci o parte dintre spinurile nucleare vor fi paralele cu liniile câmpului magnetic, iar cealaltă parte va fi antiparalelă. Aceste două orientări nu mai sunt echivalente energetic și se spune că spinurile sunt distribuite la două niveluri de energie.

Învârtirile cu un moment magnetic orientat de-a lungul câmpului +1/2 sunt desemnate prin simbolul | α >, cu o orientare antiparalelă cu câmpul exterior -1/2 - simbol | β > (Fig. 1.2) .

Figura 1.2 - Formarea nivelurilor de energie atunci când se aplică un câmp extern H 0.

1.2.1 Spectroscopie RMN pe nuclee 1 H. Parametrii spectrelor PMR.

Pentru a descifra datele spectrelor 1H RMN și a atribui semnale, se folosesc principalele caracteristici ale spectrelor: deplasarea chimică, constanta de interacțiune spin-spin, intensitatea semnalului integrat, lățimea semnalului [57].

A) Deplasarea chimică (C.C). scara H.S Deplasarea chimică este distanța dintre acest semnal și semnalul substanței de referință, exprimată în părți per milion din intensitatea câmpului extern.

Tetrametilsilanul [TMS, Si(CH3)4], care conține 12 protoni echivalenti din punct de vedere structural, înalt ecranați, este cel mai adesea utilizat ca standard pentru măsurarea deplasărilor chimice ale protonilor.

B) Constanta interacțiunii spin-spin. În spectrele RMN de înaltă rezoluție, se observă divizarea semnalului. Această divizare sau structură fină în spectre de înaltă rezoluție rezultă din interacțiunile spin-spin dintre nucleele magnetice. Acest fenomen, împreună cu schimbarea chimică, servește drept cea mai importantă sursă de informații despre structura moleculelor organice complexe și distribuția norului de electroni în ele. Nu depinde de H0, ci depinde de structura electronică a moleculei. Semnalul unui nucleu magnetic care interacționează cu un alt nucleu magnetic este împărțit în mai multe linii în funcție de numărul de stări de spin, adică. depinde de spinurile nucleelor ​​I.

Distanța dintre aceste linii caracterizează energia de cuplare spin-spin dintre nuclee și se numește constanta de cuplare spin-spin n J, unde n-numărul de legături care separă nucleele care interacționează.

Există constante directe J HH, constante geminale 2 J HH , constante vicinale 3 J HH și unele constante cu rază lungă 4 J HH , 5 J HH .

- constantele geminale 2 J HH pot fi atât pozitive, cât și negative și ocupă intervalul de la -30 Hz la +40 Hz.

Constantele vicinale 3 J HH ocupă domeniul 0 20 Hz; sunt aproape întotdeauna pozitive. S-a stabilit că interacțiunea vicinală în sistemele saturate depinde foarte mult de unghiul dintre legăturile carbon-hidrogen, adică de unghiul diedric - (Fig. 1.3).

Figura 1.3 - Unghiul diedric φ între legăturile carbon-hidrogen.

Interacțiune spin-spin pe distanță lungă (4 J HH , 5 J HH ) - interacțiunea a două nuclee separate prin patru sau mai multe legături; constantele unei astfel de interacțiuni sunt de obicei de la 0 la +3 Hz.

Tabelul 1.1 – Constantele interacțiunii spin-spin

B) Intensitatea semnalului integrat. Aria semnalelor este proporțională cu numărul de nuclee magnetice care rezonează la o anumită intensitate a câmpului, astfel încât raportul dintre zonele semnalelor oferă numărul relativ de protoni din fiecare varietate structurală și se numește intensitatea semnalului integrat. Spectrometrele moderne folosesc integratori speciali, ale căror citiri sunt înregistrate sub forma unei curbe, a căror înălțime a pașilor este proporțională cu aria semnalelor corespunzătoare.

D) Lățimea liniilor. Pentru a caracteriza lățimea liniilor, se obișnuiește să se măsoare lățimea la o distanță de jumătate din înălțime față de linia zero a spectrului. Lățimea liniei observată experimental constă în lățimea naturală a liniei, care depinde de structură și mobilitate, și lărgirea din motive instrumentale

Lățimea obișnuită a liniei în PMR este de 0,1-0,3 Hz, dar poate crește din cauza suprapunerii tranzițiilor adiacente, care nu coincid exact, dar nu sunt rezolvate ca linii separate. Lărgirea este posibilă în prezența nucleelor ​​cu un spin mai mare de 1/2 și schimb chimic.

1.2.2 Aplicarea datelor 1H RMN pentru a determina structura moleculelor organice.

La rezolvarea unui număr de probleme de analiză structurală, pe lângă tabelele de valori empirice, Kh.S. Poate fi utilă cuantificarea efectelor substituenților vecini asupra Ch.S. conform regulii aditivităţii contribuţiilor efective de screening. În acest caz, substituenții care sunt la cel mult 2-3 legături distanță de un proton dat sunt de obicei luați în considerare, iar calculul se face folosind formula:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

unde δ 0 este deplasarea chimică a protonilor din grupul standard;

δi este contribuția de screening de către substituent.

1.3 Spectroscopie RMN 13 C. Obținerea și modurile de înregistrare a spectrelor.

Primele rapoarte ale observării 13C RMN au apărut în 1957, dar transformarea spectroscopiei 13C RMN într-o metodă de cercetare analitică utilizată practic a început mult mai târziu.

Rezonanța magnetică 13 C și 1 H au multe în comun, dar există și diferențe semnificative. Cel mai comun izotop de carbon 12 C are I=0. Izotopul 13C are I=1/2, dar conținutul său natural este de 1,1%. Acest lucru este împreună cu faptul că raportul giromagnetic al 13 nuclee C este 1/4 din raportul giromagnetic pentru protoni. Ceea ce reduce sensibilitatea metodei în experimentele privind observarea 13 C RMN de 6000 de ori comparativ cu nucleele 1 H.

a) fără a suprima interacțiunea spin-spin cu protonii. Spectrele 13C RMN obținute în absența suprimării complete a rezonanței spin-spin cu protoni au fost numite spectre de înaltă rezoluție. Aceste spectre conțin informații complete despre constantele 13 C - 1 H. În moleculele relativ simple, ambele tipuri de constante - directe și cu rază lungă - se găsesc destul de simplu. Deci 1 J (C-H) este 125 - 250 Hz, cu toate acestea, interacțiunea spin-spin poate apărea și cu protoni mai îndepărtați cu constante mai mici de 20 Hz.

b) suprimarea completă a interacțiunii spin-spin cu protonii. Primul progres major în domeniul spectroscopiei 13C RMN este asociat cu utilizarea suprimării complete a interacțiunii spin-spin cu protonii. Utilizarea suprimării complete a interacțiunii spin-spin cu protonii duce la fuziunea multipleților cu formarea liniilor singlet dacă nu există alți nuclei magnetici în moleculă, cum ar fi 19 F și 31 P.

c) suprimarea incompletă a interacțiunii spin-spin cu protonii. Cu toate acestea, utilizarea modului de decuplare completă de protoni are dezavantajele sale. Deoarece toate semnalele de carbon sunt acum sub formă de singlete, se pierd toate informațiile despre constantele interacțiunii spin-spin 13 C- 1 H. Se propune o metodă care face posibilă restabilirea parțială a informațiilor despre constantele interacțiunii directe spin-spin 13 C-1 H și, în același timp, păstrează mai multă parte din beneficiile decuplării în bandă largă. În acest caz, divizările vor apărea în spectre datorită constantelor directe ale interacțiunii spin-spin 13 C - 1 H. Această procedură face posibilă detectarea semnalelor de la atomii de carbon neprotonați, deoarece aceștia din urmă nu au protoni direct asociați cu 13 C și apar în spectre cu decuplare incompletă de protoni ca singlete.

d) modularea constantei de interacțiune CH, spectru JMODCH. O problemă tradițională în spectroscopia 13C RMN este determinarea numărului de protoni asociați cu fiecare atom de carbon, adică gradul de protonare a atomului de carbon. Suprimarea parțială de către protoni face posibilă rezolvarea semnalului de carbon din multiplicitatea cauzată de constantele interacțiunii spin-spin pe distanță lungă și obținerea divizării semnalului datorită constantelor directe de cuplare 13 C-1 H. Cu toate acestea, în cazul sistemelor de spin puternic cuplate AB iar suprapunerea multipletelor în modul OFFR face dificilă rezoluția clară a semnalelor.